应用广泛的金属材料——钢铁PPT课件

8.1应用广泛的金属材料钢铁,8走进精彩纷呈的金属世界,.,2,基本知识点,一、金属的应用史二、金属和金属键三铁和铁合金四、铁的重要化合物五、炼铁与炼钢六、金属的腐蚀和防护,一、金属的应用史,石器,青铜器,铁器,铝,钛,石器时代,青铜器时代,铁器时代,19世纪后期,当代,工具：,历史时代：,二、金属和金属键,1.金属的原子结构：,最外层电子数一般个，大多数金属元素原子最外电子只有个。原子半径较大，在化学反应中易电子而变成，化合价只有价。,小于4,1-2,失去,金属阳离子,正,金属单质在反应中常作_(氧化/还原）剂。,还原,按密度分,2.金属的分类：,有色金属（除Fe、Cr、Mn以外的金属）,轻金属(4.5g/cm3如Fe、Cu、Pb),黑色金属（Fe、Cr、Mn）,常见金属（如Fe、Al、Cu等）,稀有金属（如锆、铌、钼等）,冶金工业,重金属盐一般有毒.,按是否常见,还有贵金属：Ag、Pt、Au,纯铁锰-银白色铬-银灰色,3、物理性质：大多数银白色固体，有金属光泽、有延展性、能导电、导热，常温下是固体（除Hg）,4、金属的构成,金属晶体由金属阳离子和自由电子构成,讨论:金属为什么大都具有导电性、导热性、延展性？,.,6,性质：金属光泽性质：延展性,.,7,性质：导电性,5.金属之最(1)熔点最高：钨（W）3410；最低：汞（Hg）-39(2)密度最大:锇（Os）22.45g/cm3；最小:锂（Li）0.53g/cm3(3)硬度最大：铬（Cr）(4)延展性最好:金（Au），可制成万分之一毫米的金箔(5)导电导热性最好:Ag，Cu次之，Au第三。(6)人体内最多的金属：钙(7)地壳中含量最多的金属：铝(8)人类冶炼最多的金属：铁,1.下列叙述中正确的是（）A.某物质中只含有一种元素，该物质一定是纯净物。B.某晶体中含有阳离子,则一定含有阴离子.C.任何原子都是由质子,中子和电子组成.D.同位素的化学性质基本相同.,练习,D,.,10,2、金属原子一般具有的特点是（），金属晶体一般具有的特点是（）。A、有金属光泽，能导电，有延展性B、熔点和沸点较低C、最外层电子个数少，容易失去D、在反应中作氧化剂,C,A,3在核电荷数1-18的元素中，其单质属于金属晶体的有:。金属中，密度最小的是:，地壳中含量最多的是，熔点最低的是，单质的还原性最强的是。,Li、Be、Na、Mg、Al,Li,Al,Hg,Cs,拓展视野：,金属和金属氧化物的超导性,金属的导电性随温度的降低而增强。,.,12,物质的性质决定了物质的用途，下面列出了金属的几种性质：导热性、导电性、还原性、延展性、具有金属光泽。请在下面金属用途后的横线上填上金属性质对应的序号。（每题只填最恰当的一项）（1）用铝定制成包装用的铝箔；（2）用铝制成的高压铝锅；（3）用铁粉回收照相业废液中的银；（4）电信业中大量使用的铜丝、金属电缆_.,金属形成的晶体都是金属晶体。,由金属阳离子和自由电子间依靠金属键形成的晶体。,金属离子之间依靠自由电子而产生的强烈的相互作用。（P5）,请回忆化学键的定义？,相邻的两个或多个原子之间的强烈的相互作用。,金属键,金属晶体,生成物质,成键规律,形成过程(举例),成键实质,成键微粒,离子键,共价键,阴、阳离子,原子,静电作用,共用电子对,活泼金属元素或铵根与活泼非金属元素或酸根、OH-,非金属元素之间,离子化合物,共价分子或共价化合物或离子化合物,金属离子、自由电子,金属键,金属离子与自由电子吸引,金属单质或合金,静电作用,化学键,阴、阳离子,离子晶体,原子晶体,金属晶体,分子晶体,原子,离子键,共价键,较大的硬度和较高的熔、沸点，在熔融状态或水溶液中能导电,分子,范德华力,硬度很大，熔、沸点很高,硬度较小，熔、沸点较低,否,否,是,NaCl、NH4NO3NaOH、Na2O,金刚石、Si、SiO2、SiC,干冰、碘、冰C60,金属离子、自由电子,金属键,铜、金,否,有光泽，密度较大，是热和电的良导体。,晶体类型,.,16,结构微粒、晶体类型与物质类型,2.金属、金属键,.,17,下列各组物质溶解时破坏的作用力类型相同的一组是（）二氧化硅晶体、干冰小苏打、纯碱铅锭、石墨金刚石、黄金,.,18,化学键键能、熔点、硬度,离子键：离子电荷数越大，离子半径越小，熔沸点越高，硬度越大共价键：原子半径越小，熔沸点越高，硬度越大请解释下列事实：NaCl熔点为801，KCl的熔点为773金刚石是目前已知最硬的物质，甚至超过同为原子晶体的SiC、Si单质金属键：金属阳离子电荷数越大，半径越小，熔沸点越高，硬度越大Mg、Al、Na，这三种金属的金属键强弱为_，硬度大小为_，沸点高低顺序为_。,2物理性质：,银白色金属（粉末时为黑色），延展性、导电性、导热性，=7.86g/cm3，熔点1535，沸点2750。能被磁体所吸引，易磁化。,三铁和铁合金,游离态：化合态：,(一)铁,少量存在于陨铁中,赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿等,1存在：,铁在地壳中的含量约为5%，占第四位，在金属中仅次于铝（O、Si、Al、Fe）。,铁矿石样本,黄铁矿FeS2,磁铁矿Fe3O4,褐铁矿2Fe2O33H2O,菱铁矿FeCO3,赤铁矿-Fe2O3,铁矿石晶体,暗红色铁铝榴石晶体，产地奥地利,立方体黄铁矿晶体，产地西班牙,祖母绿、黄铁矿、方解石共生，产地哥伦比亚,(1)与非金属反应,3化学性质：,(装置放水或砂垫底),Fe+O2,32Fe3O4,铁在O2中燃烧的，一定要在集气瓶低留有少量的水或一层沙子，防止瓶子被炸裂,.,23,Fe在Cl2中燃烧时不但能失去最外层的2个电子，而且还可失去次外层的1个电子后成+3价Fe与S反应中Fe只能失去其最外层的2个电子而变成+2价，反应开始后撤去酒精灯，反应可以继续进行，说明反应放热,氧化性Cl2S,26Fe2(SO4)3+3SO2+6H2O,(2)与酸反应,a.非氧化性酸,(稀硫酸、盐酸)，,(浓硫酸、硝酸)，,Fe+H+,Fe+HNO3(稀),常温下Fe在浓H2SO4、浓HNO3中钝化,b.氧化性酸,2Fe2+H2,6Fe(NO3)3+3NO2+3H2O,Fe(NO3)3+NO+H2O,生成亚铁盐+H2,生成铁盐+RO+H2O,（过量）,（过量）,42,(3)与盐溶液反应,Fe+Cu2+Fe2+Cu,Fe+FeCl3,Fe+CuSO4,Fe+2Fe3+3Fe2+,FeSO4+Cu,23FeCl2,生成亚铁盐，溶液变浅绿色,练习：过量的铁与浓硝酸反应的化学方程式和离子方程式,（过量）,Fe(NO3)2+NO+H2O,Fe+HNO3(稀),38324,3Fe+8H+2NO3-(稀)3Fe2+2NO+4H2O,（4）与水反应,34Fe3O4+4H2,高温,在高温下反应。常温和一般加热都不反应。,金属与水反应的难易程度与金属活泼性有关,弱氧化剂,强氧化剂,较强氧化剂,Fe3O4（FeOFe2O3）,铁具有较强还原性，较活泼。,小结,+2,+3,（S、I2、H+、Cu2+、Fe3+）,（Cl2、Br2、HNO3、浓H2SO4）,（O2、水蒸气）,Fe,4原子结构：,（二）合金,1、概念：两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。（混合物）,2、性能：合金比纯金属的硬度大、熔点低。（P11),合金一般抗腐蚀性能强，具有良好的物理、化学和机械的性能。,.,29,关于合金性质的说法中，错误的是,A多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高B多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低C合金的物理性质一般与其各成分金属的物理性质不同D合金的化学性质一般与其各成分金属的化学性质不同,.,30,下列物质中，不属于合金的是()A硬铝B黄铜C钢铁D水银CuFeS2属于合金吗？NaCl属于合金吗？,90%铜,10%锡,青铜,(Cu-Sn合金),黃铜,(Cu-Zn合金),70%铜,30%锌,日常生活中合金的应用：,不锈钢,70%铁,20%铬,10%镍,焊锡,50%铅,50%锡,(Pb-Sn合金),(Fe-Cr-Ni合金),铝合金门窗:,.,34,国内的：第三套人民币硬币1元硬币铜镍合金5角硬币铜锌合金2角硬币铜锌合金1角硬币铜锌合金第四套人民币硬币1元硬币钢芯镀镍5角硬币铜锌合金1角硬币铝镁合金第五套人民币硬币1元硬币钢芯镀镍5角硬币钢芯镀铜合金1角硬币铝合金,形形色色的合金,用于护齿设备的钛合金,用于枪筒的钨钢,高锰钢常用于制作坦克的装甲,形形色色的合金,有记忆的镍钛合金，广泛用于航空、航天、核工业等。,超塑性合金可生产形状复杂的零件和仪表壳等,.,37,眼镜架：如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。汽车外壳:如果不小心撞瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状。,其它领域的应用,生铁和钢都是铁的合金,四、铁的重要化合物,1、铁的氧化物,磁性材料,红色颜料,不溶,不溶,不溶,+2、+3,+3,+2,稳定,稳定,不稳定,黑色晶体,红棕色粉末,黑色粉末,磁性氧化铁,铁红,Fe3O4,Fe2O3,FeO,碱性氧化物,碱性氧化物,（FeOFe2O3）,与酸反应，均可被还原剂（CO）还原,.,40,Fe3O4是复杂的化合物，经研究证明，在Fe3O4晶体中有1/3的Fe是+2价，有2/3的Fe是+3价，可看成FeOFe2O3，实际应写成Fe(FeO2)2,即铁酸亚铁盐，不是一般的氧化物。,练习：1写出下列化学方程式FeO+HClFe2O3+稀H2SO4Fe2O3+稀HNO3FeO+COFe2O3+COFe3O4+CO*FeO+稀HNO3*Fe3O4+HCl*Fe3O4+稀HNO3*,FeO+O2,2砖瓦是用含铁元素等杂质的粘土隔绝空气烧制而成的，当烧窑作业临近结束时，若用淋洒水的办法来降低温度，窑内处于还原气氛，砖块中的铁以氧化物的形式存在，因此，砖呈青色。若用揭开窑顶自然冷却的办法，砖就变成了红色。请从化学角度解释原因。,C+H2OCO+H2,FeO、Fe3O4和C,青砖：,红砖：Fe2O3,2、铁的氢氧化物,练习：完成下列化学方程式，并改写成离子方程式FeCl3+NaOHFeSO4+NaOH,Fe2+2OH-Fe(OH)2,Fe3+3OH-Fe(OH)3,3Fe(OH)3+3NaCl,2Fe(OH)2+Na2SO4,Fe3+NH3H2O,Fe(OH)3+NH4+,33,白色絮状沉淀,红褐色沉淀,4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,白色絮状沉淀,灰绿色,红褐色沉淀,思考：(1)本实验有何违反实验常规的地方？为何要这样做？,要用新制的硫酸亚铁溶液，配制时最好使用煮沸过的蒸馏水。（除去溶解氧）,在配制的硫酸亚铁溶液中加少量铁粉。（防止氧化）,把氢氧化钠溶液煮沸。（除去溶解氧）,将滴管插入试管里溶液下面慢慢挤出氢氧化钠溶液。（避免生成的氢氧化亚铁与氧气接触而氧化。）,减少振荡,(2)为什么还是没有看到白色沉淀？可采取哪些措施？,小结：铁的氢氧化物,转化,4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,白灰绿红褐,白色,红褐色,不溶,不溶,Fe(OH)3+3H+Fe3+3H2O,Fe(OH)2+2H+Fe2+2H2O,.,46,注意：Fe(OH)2和Fe(OH)3从溶液中析出的现象不同，前者是白色絮状沉淀，后者是红褐色沉淀。而Fe(OH)2极不稳定，易被氧化成Fe(OH)3，反应现象是：白色灰绿色红褐色。若要观察到白色的Fe(OH)2沉淀，需要创造以下条件：（1）排除亚铁盐溶液里的Fe3+离子，以免Fe3+离子直接与OH-结合生成Fe(OH)3。（2）尽量排除溶液中溶解的氧气（绝对排除是办不到的），以减慢生成的Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3的速度。反应要用新制备的亚铁盐溶液，并放入少量的铁以防止Fe3+离子产生。亚铁盐溶液与碱溶液在混合前分别加热以排除溶有的空气，然后，把碱溶液沿着试管壁加入盛亚铁盐溶液的试管中，或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入碱溶液，可观察到白色絮状沉淀。,H+,OH-,H+,如何实现下列转变？Fe2O3Fe(OH)3FeCl3Fe2O3Fe2(SO4)3FeCl3,3、铁的盐类,Fe2+2OH-Fe(OH)2,Fe3+3NH3H2OFe(OH)3+3NH4+,加KSCN呈血红色,铁盐,亚铁盐,FeCl3(aq),FeCl2(aq),棕黄色(Fe3+),浅绿色(Fe2+),颜色,水解呈酸性,与可溶性碱反应,检验,a.滴加KSCN溶液无红色，再加氯水变红色,b.加碱溶液生成变色沉淀。,相互转化,FeCl3FeCl2,还原剂（Fe、Cu、KI、H2S等）,氧化剂（Cl2、H2O2、HNO3等）,氧化性,还原性,.,49,Fe,Fe3+,Fe2+,（Cl2、Br2、稀HNO3浓H2SO4等）,强氧化剂,弱氧化剂,（S、H+、Cu2+等）,强氧化剂,（KMnO4、K2Cr2O7、O2、Cl2、Br2、H2O2、HNO3等）,还原剂,(Zn、Fe、Cu、I-、S2-、HI、H2S等),还原剂,还原剂,4、铁及其化合物的相互转变,(铁三角),（Zn、H2、CO等）,（Zn等）,.,50,.,51,Fe与Fe3+反应的离子方程式Fe与Fe2(SO4)3反应的化学方程式应用：实验室配制硫酸亚铁溶液时，为了防止所配溶液久置变质，常常加入_试剂。,.,52,Fe2+和Fe3+的检验（1）Fe2+的检验：方法一：滴加KSCN溶液，无明显现象，再滴加新制氯水，溶液立即变红色。方法二：滴加NaOH溶液,生成白色絮状沉淀，该沉淀迅速变为灰绿色，最后变为红褐色。（2）Fe3+的检验：方法一：滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液，溶液立即变为血红色。方法二：滴加NaOH溶液,出现红褐色沉淀。,.,53,由反应：2FeCl3+Cu2FeCl2+CuCl2推断出的氧化性或还原性强弱的结论，正确的是（）A氧化性Cu2+Fe2+B氧化性Fe3+Cu2+C还原性Fe2+CuD还原性FeCu,.,54,当人体患缺铁性贫血时，可以服用亚铁盐作为补血剂。人体血液中，正常的血红蛋白中应含Fe2，若食用了亚硝酸盐，则导致血红蛋白中的Fe2转化为Fe3则会中毒。医生提出服用维生素C可解除亚硝酸盐中毒。,.,55,思考与练习：1实验室应如何保存新制的FeSO4溶液？2在FeCl3中滴加Na2S与在Na2S中滴加FeCl3的现象是否相同？3少量的Fe与过量的稀HNO3反应和过量的Fe与少量的稀HNO3反应产物是否相同？4将适量铁粉放入FeCl3溶液中，完全反应后，溶液中的Fe2+和Fe3+浓度相等。则已反应的Fe3+和未反应的Fe3+的物质的量之比是（）A、2:3B、3:2C、1:2D、1:1,A,.,56,1.FeCl3滴入Na2S溶液中，溶液呈强碱性，此时Fe3+不能氧化S2-，且Fe2S3有一定的稳定性（双水解较慢），所以反应为2Fe3+3S2-=Fe2S3Fe3+3S2+3H2O=放置数日=Fe(OH)3+3HS-两反应同时进行，但快得多，所以实验现象是有黑色沉淀2.Na2S溶液滴入FeCl3中，溶液呈较强酸性，Fe3+能氧化S2-，而且Fe2S3迅速双水解，故反应为2Fe3+3S2-=2FeS+S2Fe3+3S2-+6H2O=2Fe(OH)3+3H2S所以实验现象是出现混合色的沉淀，且有一些气泡放出。,.,57,思考1：Fe与Cu2+和Fe3+都能反应，请用某个方程式判定他们氧化性的强弱，并说明Fe与Cu2+和Fe3+哪一个先反应。思考2：在紫红色酸性KMnO4溶液中，加入下列物质，紫红色不褪去的是（）A硫酸亚铁BHIC氯化铁D二氧化硫思考3：某溶液中Fe3+、Cu2+、Fe2+的物质的量之比为3：2：1，现加入适量铁粉，使溶液中三种离子物质的量浓度之比变为1：2：4，则参加反应的铁粉和原溶液中Fe3+的物质的量之比为（）A2：1B1：2C1：3D1：4,.,58,.,59,中国钢铁产量的增长（单位：万吨）,思考：1自然界中，铁元素主要以什么形态存在？2要得到游离态就是将铁的氧化物或硫化物_（氧化、还原），需加入_（氧化剂、还原剂）？3学过的工业上常用的还原剂有什么物质？,钢铁是怎样炼成的?,五、炼铁与炼钢（一）炼铁,铁矿石、焦炭、热空气、石灰石（1）铁矿石：赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(Fe2O33H2O)及菱铁矿(FeCO3)，（2）焦炭(C)：用作燃料以生高温（800）形成还原剂（3）热空气：使焦煤燃烧发生高温，同时产生CO使氧化铁还原（4）石灰石作熔剂，除脉石（主要成分SiO2）,1原料：,2原理利用还原剂将铁元素从含铁的化合物中还原出来。（1）还原剂的生成C+O2高温CO2+QC+CO2高温2CO-Q（2）还原铁3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2（3）造渣CaCO3高温CaO+CO2CaO+SiO2高温CaSiO3,.,63,C+CO2高温2CO-Q,C+O2高温CO2+Q,3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2,CaCO3高温CaO+CO2,CaO+SiO2高温CaSiO3,CO、CO2、N2、矿尘等,3设备：高炉,4.产物,（1）生铁（2）高炉煤气气体燃料（CO）（3）炉渣：主要是CaSiO3水泥,由于铁和钢在性能上的不同，决定了钢比铁的用途更广。对比铁和钢成分上的差异，你认为将铁怎样处理就变成了钢？,生铁和钢中其他元素的含量对比,怎样可以除硫、磷，减少碳？,（二）炼钢,1原料生铁、纯氧、脱氧剂、石灰石2原理用氧化剂将生铁中杂质氧化而除去。目的：降碳、除硫磷、调硅锰（1）氧化Fe+O2高温FeOFeO+C高温Fe+CO2FeO+Si高温Fe+SiO2FeO+Mn高温Fe+MnO,（2）造渣CaO+SiO2高温CaSiO3CaO+MnO高温CaMnO2硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。（3）脱氧2FeO+Si高温Fe+SiO2FeO+Mn高温Fe+MnO3FeO+2Al高温3Fe+Al2O3,3、设备：转炉。,转炉的结构图,炼钢示意图,.,68,炼铁和炼钢的比较,把铁从铁矿石中还原出来,降碳、除硫磷、调硅锰,利用氧化-还原反应，用还原剂还原出铁,利用氧化-还原反应，用氧化剂把杂质氧化除去,铁矿石、石灰石、焦碳、空气,生铁、纯氧、生石灰、脱氧剂,炼铁高炉,转炉、平炉、电炉,全世界每年因腐蚀而报废的钢铁估计约占全年总产量的三分之一,锈迹斑斑的设备和材料,1金属的腐蚀概